학술논문
Role of microtubule-dependent transport in synaptic plasticity in hippocampal neurons
Document Type
Dissertation/Thesis
Author
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Subject
Language
Spanish; Castilian
English
English
Abstract
The majority of excitatory synapses in the central nervous system are located at dendritic spines. These structures are considered key compartments for synaptic plasticity. During synaptic plasticity expression, spines alter their morphology and structure, and neurotransmitter receptor trafficking events take place. These phenomena have been related to actin cytoskeleton changes, but recently, microtubules (MT) have also been shown to modulate their own dynamics in an activity-dependent manner. Considering the close relationship between MT-dependent transport and endomembrane trafficking, and that between endomembrane trafficking and synaptic plasticity, we analyzed whether MTdependent transport would play a role in modulating synaptic plasticity. Using a multidisciplinary approach that includes biochemistry, live confocal imaging, electrophysiology techniques and molecular biology for the development of new molecular tools, we have investigated the interaction of AMPA Receptors (AMPARs) with members of the kinesin family (KIF5, KIF17) and dynein during synaptic function. In particular, we have mapped-down the domains of these molecular motors that are required for the maintenance of basal transmission and for the allowance of synaptic plasticity expression in CA1 excitatory synapses from hippocampal slices. The data obtained suggested that the motor domain of KIF5 is not needed either for the maintenance of basal transmission or for the transport of GluA2 subunits along dendrites. However, its motor activity, as well as the motor activity of KIF17, seems to be crucial for long-term depression (LTD) to occur normally. Complementarily to these results, we have found that maintenance of basal transmission most likely depends on either regulatory domains of the neck-stalk region, or on interactions depending on the cargo binding domain of KIF5 and KIF17. Finally, we have also addressed whether minus-end transport, based on dynein, could modulate synaptic function. Our preliminary results indicate that dynein transport is not required for proper synaptic function. Our results suggest that MT-dependent transport is one of the many intracellular mechanisms finely tuning NMDAR-dependent LTD. Altogehter, this thesis shed some light into the interplay between cytoskeletal elements and the regulation of synaptic strength.
La mayoría de las sinapsis excitatorias en el sistema nervioso central se encuentran en espinas dendríticas. Por tanto, se consideran estructuras clave en las que la maquinaria necesaria para el desarrollo de la plasticidad sináptica debe funcionar correctamente. Cuando los fenómenos de plasticidad sináptica tienen lugar, las espinas modifican su morfología y estructura, y eventos de transporte de neurorreceptores tienen lugar. Estos procesos se han relacionado, clásicamente, con cambios en el citoesqueleto de actina, pero de un tiempo a esta parte se ha visto como los microtúbulos (MT) pueden alterar su dinámica en función de la actividad sináptica. Considerando, por una parte, la relación entre el transporte dependiente de MT y el tráfico endosomal; y, por otra, la relación entre el tráfico endosomal y los fenómenos de plasticidad sináptica; nos preguntamos explorar la posible relación entre el transporte mediado por MT y la plasticidad sináptica. Sirviéndonos de un enfoque multidisciplinar, en el que hemos utilizado técnicas de bioquímica, videomicroscopía confocal y electrofisiología, así como el desarrollo de nuevas herramientas moleculares; hemos investigado la interacción entre los receptores AMPA (AMPARs) y miembros de la familia de las kinesinas (KIF5, KIF17) y la dineina durante la expresión de la función sináptica. En concreto, hemos tratado de identificar los dominios de estos motores necesarios tanto para el mantenimiento de la transmisión basal, como para que tenga lugar una correcta plasticidad sináptica en sinapsis excitatorias de CA1 en rodajas de hipocampo. Así, hemos descubierto que, sorprendentemente, el dominio motor de KIF5 no es necesario ni para el mantenimiento de la transmisión basal, ni para el transporte de las subunidades GluA2 a lo largo de las dendritas. Sin embargo, su actividad motora, así como la de KIF17, sí parece crucial para una correcta expresión de la depresión a largo plazo (“long-term-depression” o LTD). De manera complementaria, hemos descubierto que el mantenimiento de la transmisión basal parece depender de dominios reguladores presentes en la región del cuello-tallo, o de interacciones mediadas por el dominio de unión a cargo de KIF5 o de KIF17. Por último, también hemos estudiado el posible papel del transporte en dirección menos, basado fundamentalmente en la actividad de la dineina. De manera preliminar, podemos concluir que el transporte en dirección menos no es necesario para el mantenimiento de la función sináptica. Nuestros resultados sugieren que la LTD dependiente de NMDA es un proceso altamente regulado por una gran variedad de mecanismos intracelulares, incluyendo el transporte mediado por MT. presentes en la región del cuello-tallo, o de interacciones mediadas por el dominio de unión a cargo de KIF5 o de KIF17. Por último, también hemos estudiado el posible papel del transporte en dirección menos, basado fundamentalmente en la actividad de la dineina. De manera preliminar, podemos concluir que el transporte en dirección menos no es necesario para el mantenimiento de la función sináptica. Nuestros resultados sugieren que la LTD dependiente de NMDA es un proceso altamente regulado por una gran variedad de mecanismos intracelulares, incluyendo el transporte mediado por MT.
La mayoría de las sinapsis excitatorias en el sistema nervioso central se encuentran en espinas dendríticas. Por tanto, se consideran estructuras clave en las que la maquinaria necesaria para el desarrollo de la plasticidad sináptica debe funcionar correctamente. Cuando los fenómenos de plasticidad sináptica tienen lugar, las espinas modifican su morfología y estructura, y eventos de transporte de neurorreceptores tienen lugar. Estos procesos se han relacionado, clásicamente, con cambios en el citoesqueleto de actina, pero de un tiempo a esta parte se ha visto como los microtúbulos (MT) pueden alterar su dinámica en función de la actividad sináptica. Considerando, por una parte, la relación entre el transporte dependiente de MT y el tráfico endosomal; y, por otra, la relación entre el tráfico endosomal y los fenómenos de plasticidad sináptica; nos preguntamos explorar la posible relación entre el transporte mediado por MT y la plasticidad sináptica. Sirviéndonos de un enfoque multidisciplinar, en el que hemos utilizado técnicas de bioquímica, videomicroscopía confocal y electrofisiología, así como el desarrollo de nuevas herramientas moleculares; hemos investigado la interacción entre los receptores AMPA (AMPARs) y miembros de la familia de las kinesinas (KIF5, KIF17) y la dineina durante la expresión de la función sináptica. En concreto, hemos tratado de identificar los dominios de estos motores necesarios tanto para el mantenimiento de la transmisión basal, como para que tenga lugar una correcta plasticidad sináptica en sinapsis excitatorias de CA1 en rodajas de hipocampo. Así, hemos descubierto que, sorprendentemente, el dominio motor de KIF5 no es necesario ni para el mantenimiento de la transmisión basal, ni para el transporte de las subunidades GluA2 a lo largo de las dendritas. Sin embargo, su actividad motora, así como la de KIF17, sí parece crucial para una correcta expresión de la depresión a largo plazo (“long-term-depression” o LTD). De manera complementaria, hemos descubierto que el mantenimiento de la transmisión basal parece depender de dominios reguladores presentes en la región del cuello-tallo, o de interacciones mediadas por el dominio de unión a cargo de KIF5 o de KIF17. Por último, también hemos estudiado el posible papel del transporte en dirección menos, basado fundamentalmente en la actividad de la dineina. De manera preliminar, podemos concluir que el transporte en dirección menos no es necesario para el mantenimiento de la función sináptica. Nuestros resultados sugieren que la LTD dependiente de NMDA es un proceso altamente regulado por una gran variedad de mecanismos intracelulares, incluyendo el transporte mediado por MT. presentes en la región del cuello-tallo, o de interacciones mediadas por el dominio de unión a cargo de KIF5 o de KIF17. Por último, también hemos estudiado el posible papel del transporte en dirección menos, basado fundamentalmente en la actividad de la dineina. De manera preliminar, podemos concluir que el transporte en dirección menos no es necesario para el mantenimiento de la función sináptica. Nuestros resultados sugieren que la LTD dependiente de NMDA es un proceso altamente regulado por una gran variedad de mecanismos intracelulares, incluyendo el transporte mediado por MT.